互聯(lián)網(wǎng)背景下嵌入式智能家居遠(yuǎn)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 葉

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，山西 晉中 030600）

0 引言

家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指在照明、燃?xì)?、供暖等各種信息設(shè)備之間建立交互網(wǎng)絡(luò)。更具體地說，是指建立信息設(shè)備之間通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)部和外部通信，并使用internet進(jìn)行互聯(lián)的環(huán)境。智能家庭網(wǎng)絡(luò)是一種強(qiáng)調(diào)智能的家庭網(wǎng)絡(luò)概念，通過將智能賦予家庭系統(tǒng)和功能，使我們的生活更加方便、安全、快樂、舒適。智能家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)有電子控制與有線/無線通信相結(jié)合的產(chǎn)物，與家電、電信、建筑等各行業(yè)具有很強(qiáng)的互聯(lián)性，預(yù)計(jì)將產(chǎn)生顯著的連鎖反應(yīng)[1-2]。

先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)是發(fā)展智能家庭網(wǎng)絡(luò)的必要條件。智能家庭網(wǎng)絡(luò)采用嵌入式電子控制系統(tǒng)，稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)為執(zhí)行一種或多種功能而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)核心組成，這些核心通常是微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器。因此，開發(fā)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是非常必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能視頻監(jiān)控也在興起，以往單純、簡單的錄音圖像信息監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益增長的需求。所以，本文一種基于視頻監(jiān)控技術(shù)的控制系統(tǒng)，特點(diǎn)在于，這項(xiàng)工作選取S3C2440 ARM9微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)以及USB攝像頭共同打造了完整的家庭視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由微處理器和攝像頭以及一些必要的外圍組件組成的，種類多樣的傳感器如同人體的皮膚一樣，感受不同的物理型號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，不斷監(jiān)控和感知家庭信息，當(dāng)這些傳感器終端檢測(cè)到異常值之后，他們會(huì)作出反應(yīng)，也就是會(huì)將出現(xiàn)異常波動(dòng)的部件圖像（視頻）進(jìn)一步傳輸?shù)轿挥谠贫说姆?wù)器中，但是考慮到傳輸?shù)谋憬菪砸约耙曨l的大小，在正式通過Web傳輸之前，需要將視頻編碼壓縮，這樣壓縮之后的視頻再進(jìn)行總線上傳。上傳到云端的視頻可以被用戶以各種形式去查看、翻閱，當(dāng)然也可以作出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)包括頻率為400MHz的三星S3C2440A處理器，最高頻率達(dá)533MHz。64MB的SDRAM存儲(chǔ)器，32位數(shù)據(jù)總線時(shí)鐘頻率高達(dá)100MHz。64M Nand閃存，帶有2M Nor閃存。一個(gè)100M以太網(wǎng)rj -45接口（DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片），一個(gè)串行端口，一個(gè)USB主機(jī)A端口，一個(gè)USB從B型接口，一個(gè)2.0mm pitch 10 pin Jtag接口，一個(gè)PWM蜂鳴器。GF- 5000 WGPRS使用GPRS模塊，這是一個(gè)高度集成的緊湊設(shè)計(jì)，GPRSClass 10 GSM900 / DCS 1800支持雙頻多槽功能，支持電路切換語音和短信服務(wù)，并增強(qiáng)GSM07.07命令集。mc - 112催化傳感器以及熱釋電紅外傳感器（LHi770）也被選用。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)包括硬件層和軟件層兩部分，以及應(yīng)用層。

3.1 交叉編譯環(huán)境和引導(dǎo)程序

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能，Linux操作系統(tǒng)安裝在主機(jī)目標(biāo)板上，并進(jìn)行程序編譯。

3.2 內(nèi)核切割與移植

本文移植Linux內(nèi)核版本2.5.6，首先在官方網(wǎng)站上下載內(nèi)核源代碼tarball Linux -2.6.25.8.tarbz2。具體的包括以下兩個(gè)部分：首先，修改根目錄下的Makefile文件，設(shè)置targe平臺(tái)arm，開發(fā)交叉編譯器arm-linux。其次，內(nèi)核目錄下的S3C24XX innit時(shí)鐘（16934422）到S3C24XX innit時(shí)鐘（12000022）作出修改，我們的開發(fā)板用crystal 12MHz。對(duì)要修改的機(jī)器碼在arch/ arm tools/ mach-type文件中，s3c2440機(jī)器碼由362改為168。上述兩步完成后，被保存在界面菜單中，系統(tǒng)配置修改內(nèi)核源代碼提供了一個(gè)基于每個(gè)平臺(tái)配置，最終的保存配置文件。

3.3 建立根文件系統(tǒng)

首先下載最新的Busybox源代碼，創(chuàng)建進(jìn)程的最新穩(wěn)定版本為Busybox -1.19.2，文件系統(tǒng)是非常重要的，在這項(xiàng)工作中，文件系統(tǒng)包含以下六個(gè)重要的步驟：

第一個(gè)步驟，需要對(duì)編譯工具進(jìn)行編譯、安裝以及生成文件目錄下指定的架構(gòu)的修改。通過“用于生成菜單”的命令進(jìn)入下一個(gè)菜單界面配置相應(yīng)的修改版本，執(zhí)行make命令來編譯后，最后，安裝修改版本即可。第二步，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)空目錄，將三個(gè)安裝文件復(fù)制到根目錄。第三步，需要在上一步的文件夾中建立配置文件。第四步，在目錄庫中添加一個(gè)通用庫文件。第五步，在dev/目錄中創(chuàng)建兩個(gè)靜態(tài)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行最后一步，即使用工具創(chuàng)建文件系統(tǒng)鏡像，然后讓程序在閃存中寫入文件系統(tǒng)鏡像。

3.4 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序

本文所使用的的軟件體系結(jié)構(gòu)（Linux）主要的結(jié)構(gòu)是包含三個(gè)部分，這三個(gè)部分風(fēng)別有不同的功能，其中包含了主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序、傳輸部分的驅(qū)動(dòng)程序以及用戶端口的驅(qū)動(dòng)程序。特別地，對(duì)于攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，主要是視頻圖像捕捉，其主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分如下圖2所示。

圖2 USB攝像頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵語句

可選的動(dòng)態(tài)模式驅(qū)動(dòng)程序模塊是load，使menuconfig在Linux內(nèi)核目錄下。首先選擇Linux視頻下的多媒體設(shè)備；然后下一個(gè)usb目錄選擇usb支持，并選擇usb攝像頭ZC301p支持，也保存。完成make dep、make zImage、make modules命令后將生成cam301p。o文件在/驅(qū)動(dòng)程序/ usb，并生成新的內(nèi)核文件系統(tǒng)。最后用新內(nèi)核insmod cam301p引導(dǎo)系統(tǒng)。運(yùn)行文件，可以顯示攝像頭驅(qū)動(dòng)程序已成功加載。

3.5 GPRS無線通信

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)無線傳輸，首要的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的有效上傳，具體的，可以利用IP協(xié)議包將GPRS模塊鏈接到網(wǎng)絡(luò)中并通過路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)上。GPRS模塊的最終實(shí)現(xiàn)鏈接需要PPP協(xié)議支持，在嵌入式linux操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序移植和撥號(hào)腳本編寫。系統(tǒng)是通過撥號(hào)連接建立一個(gè)點(diǎn)，以便發(fā)送數(shù)據(jù)包。然后配置撥號(hào)端口，最后調(diào)用ppp在撥號(hào)器腳本文件，以實(shí)現(xiàn)相同的服務(wù)器會(huì)話和無線訪問。

3.6 嵌入式Web服務(wù)器

本系統(tǒng)的目標(biāo)之一是要實(shí)現(xiàn)BOA，但是無法直接實(shí)現(xiàn)，所以需要對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化和修飾。我們可以通過.conf以及mime來進(jìn)行修改。在實(shí)際的操作過程中，需要利用公共網(wǎng)關(guān)接口文件擴(kuò)展名和應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)/類型；配置公共網(wǎng)關(guān)接口的腳本存儲(chǔ)，在腳本別名文件中指定，然后創(chuàng)建HTML文檔。之后，在系統(tǒng)運(yùn)作過程中，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器收到請(qǐng)求后，瀏覽器發(fā)送的參數(shù)可以進(jìn)一步傳遞給網(wǎng)關(guān)程序，其處理完成后，HTML頁面代碼被寫入，并定向標(biāo)準(zhǔn)輸出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)用戶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視對(duì)接與操作。

4 結(jié)束語

綜上所述，我們可以看出，開發(fā)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是非常必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能視頻監(jiān)控也在興起，以往單純、簡單的錄音圖像信息監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益增長的需求，本文基于ARM9硬件平臺(tái)、嵌入式Linux軟件平臺(tái)，同時(shí)利用圖像處理技術(shù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)方便實(shí)用的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了建立軟件和硬件平臺(tái)的過程及關(guān)鍵技術(shù)，為最終實(shí)現(xiàn)建立家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)滿足家庭的需要，提供可行的技術(shù)方案。